師月崇，李亞飛，宋芳，鄭傳濤，王一丁

（1 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130012）

（2 吉林省紅外氣體傳感技術(shù)工程研究中心，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，日益增長(zhǎng)的碳排放所引發(fā)的全球性生態(tài)問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，“碳中和”一詞在各項(xiàng)國(guó)際會(huì)議中出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，已逐步成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)［1-3］。氣體濃度監(jiān)測(cè)作為全球碳排放數(shù)據(jù)采集中的重要一環(huán)［4］，正面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。當(dāng)前氣體傳感需求正在朝著小型化、低功耗、可聯(lián)網(wǎng)等方向不斷推進(jìn)。通過(guò)縮小體積、降低功耗，并結(jié)合無(wú)人機(jī)等新興技術(shù)，誕生了全新的氣體巡檢方式［5-8］，在偏遠(yuǎn)地區(qū)的燃?xì)夤艿姥矙z等方面被廣泛應(yīng)用；進(jìn)一步通過(guò)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將氣體傳感系統(tǒng)封裝成小型自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)氣體濃度信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)［9-12］。

激光光譜分析技術(shù)具有檢測(cè)速度快、精度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)［13，14］。目前，人們報(bào)道的激光光譜氣體分析系統(tǒng)主要采用LabVIEW 或者數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)［15-16］。2016年，GERVASONI G 等［17］提出了一種克服分辨率限制的新型數(shù)字鎖相放大器，相對(duì)于先進(jìn)的鎖相放大器，其分辨率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)的工作頻率最高能夠達(dá)到5 MHz。2019年，PAULINA M 等［18］研制了一種便攜式的高精度相位調(diào)節(jié)單相鎖相儀，它集成了輸入和參考信號(hào)的自動(dòng)相位校準(zhǔn)模塊，工作頻率為1 kHz，整個(gè)系統(tǒng)由Arduino YUN 板驅(qū)動(dòng)，具有很高的靈敏度。2018年，西安電子科技大學(xué)和西安郵電大學(xué)合作設(shè)計(jì)了一款輔助頻率跟蹤系統(tǒng)，彌補(bǔ)了許多商業(yè)鎖相放大器無(wú)法跟蹤頻率偏差的不足［19］。2019年，黃凱等［20］研制了一種寬帶數(shù)字鎖相放大器，用于測(cè)量微流體器件的阻抗，該鎖相放大器工作頻率高達(dá)65 MHz，采用的全數(shù)字鎖相環(huán)輸出頻率的相位偏差小于0.02°，頻率檢測(cè)精度為ppm（10-6）。LabVIEW 分析系統(tǒng)需要采用電腦和數(shù)據(jù)采集卡，雖然測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好，但普遍體積較大、成本較高，無(wú)法便攜式應(yīng)用。DSP 分析系統(tǒng)雖然體積小、功耗低，但由于需要執(zhí)行DSP 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)分析算法，延遲較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體吸收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、連續(xù)處理。

鑒于上述現(xiàn)狀，本文采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和波長(zhǎng)調(diào)制光譜（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）技術(shù)，研制了一種硬件可重構(gòu)的波長(zhǎng)調(diào)制甲烷（CH4）傳感器。相比基于軟件算法的DSP 甲烷傳感器，該硬件可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制氣體吸收光譜分析算法進(jìn)行硬件加速，實(shí)現(xiàn)掃描信號(hào)與諧波信號(hào)幅值的準(zhǔn)同步輸出，提高系統(tǒng)檢測(cè)速度；結(jié)合直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）技術(shù)，由FPGA 控制生成WMS 所需的正弦波及同頻方波參考信號(hào)、三角波及同頻矩形波使能信號(hào)，簡(jiǎn)化外圍電路，降低系統(tǒng)功耗；驅(qū)動(dòng)輸出和數(shù)據(jù)處理能夠同步進(jìn)行，為采用間歇或脈沖式工作來(lái)降低系統(tǒng)功耗提供參考。

1 硬件可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 譜線選擇與分析

選擇CH4吸收譜線時(shí)，主要遵循以下原則：較強(qiáng)的吸收線強(qiáng)，避免其它氣體的干擾，規(guī)則的洛倫茲（Lorentz）線型。通過(guò)對(duì)CH4的吸收譜線分析，選定位于4 284.5 cm-1（2.334 μm）處的CH4吸收線。圖1 為根據(jù)HITRAN 2012 數(shù)據(jù)庫(kù)得出的在壓強(qiáng)為101 325 Pa、光程為1 m、溫度為300 K 的條件下，濃度為100 ppmv（1 ppmv=10-6）的甲烷吸收譜線。圖中還給出了當(dāng)激光器溫度為36 ℃時(shí)，激光器的輸出波數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯捎弥行牟ㄩL(zhǎng)為2.334 μm 的激光器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，可以很好地覆蓋此處CH4的吸收峰。

圖1 基于HITRAN 的CH4吸收線，以及當(dāng)激光器溫度為36 ℃時(shí)，激光器電流與發(fā)光波數(shù)的關(guān)系曲線Fig.1 HITRAN-based CH4 absorption line and the curve of laser current versus emission wavelength number at 36 ℃

1.2 可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器結(jié)構(gòu)

基于FPGA 的硬件可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由光學(xué)部分和電學(xué)部分組成。針對(duì)光學(xué)部分，采用德國(guó)Nanoplus 公司的中心發(fā)射波長(zhǎng)為2.334 μm 的分布式反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）作為光源，針對(duì)2.334 μm 處的CH4吸收線實(shí)施檢測(cè)；激光束被準(zhǔn)直并耦合進(jìn)入光程為25 m 的赫里奧特氣室中。激光從氣室出射后，被聚焦到InGaAs 光電探測(cè)器上（PDA10D-EC，Thorlabs），經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后送入傳感器電學(xué)部分。電學(xué)部分由波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析電路和波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成電路、激光器溫控驅(qū)動(dòng)模塊（LDTC0520，波威科技）組成。驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路主要采用DDS 技術(shù)，在FPGA 中存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，通過(guò)尋址輸出的方式控制外接數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter，DAC，DAC900，TI）生成正弦波和三角波，二者相加生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)（AD8620，ADI），將其提供給驅(qū)動(dòng)模塊控制激光器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描；波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析電路通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC，AD9220，ADI）將量化后的無(wú)符號(hào)二進(jìn)制氣體吸收數(shù)據(jù)送入FPGA，在FPGA 中通過(guò)流水線式的正交鎖相算法處理，計(jì)算得到諧波信號(hào)幅值，并將其通過(guò)外部DAC（DAC904，TI）同步輸出顯示，同時(shí)在使能信號(hào)為低電平期間，通過(guò)串口輸出諧波信號(hào)幅值。

圖2 硬件可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器的結(jié)構(gòu)框圖以及基于FPGA 的電學(xué)部分的實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Structure block diagram of hardware reconfigurable wavelength modulated CH4 sensor，and a photo of the electrical part based on FPGA

1.3 FPGA 內(nèi)部邏輯構(gòu)成及可重構(gòu)參數(shù)分析

可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器的FPGA 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括由正交鎖相放大單元［21-24］、ADC 控制單元、DAC 控制單元、使能信號(hào)生成單元、時(shí)鐘生成單元、極值提取單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元、串口單元等構(gòu)成的波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊以及波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成模塊。波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊整體采用流水線設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)依據(jù)系統(tǒng)采樣時(shí)鐘不斷向后流動(dòng)，當(dāng)流水線寄存器充滿后，數(shù)據(jù)的輸入輸出同時(shí)鐘下準(zhǔn)同步進(jìn)行。系統(tǒng)整體流水線延遲時(shí)間（TD）由鎖相放大單元內(nèi)部的濾波器階數(shù)（NHP、NLP）和為了匹配時(shí)序插入的寄存器數(shù)量（P）共同決定，令時(shí)鐘周期為T，則TD可表示為

圖3 傳感器的FPGA 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)Fig.3 FPGA internal logic structure diagram of the sensor

在本系統(tǒng)中，高通濾波器階數(shù)NHP為35，低通濾波器階數(shù)NLP為41，插入寄存器數(shù)量P為5，系統(tǒng)時(shí)鐘匹配采樣時(shí)鐘，周期T為50 μs，據(jù)此代入式（1），計(jì)算得到的流水線延遲時(shí)間為4.05 ms。

在對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要格外注意對(duì)正交鎖相放大單元中的有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）低通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其截止頻率盡量低，以使得到的諧波波形更為平滑。一般而言，當(dāng)系統(tǒng)采樣率確定后，F(xiàn)IR 低通濾波器階數(shù)越多，即積分時(shí)間越長(zhǎng)，濾波器截止頻率越低，但構(gòu)建此濾波器需要消耗的資源將增多，流水線延遲也將增大。為了平衡資源與性能，采用高低通協(xié)作的方式，通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的低頻預(yù)抑制，來(lái)降低后端低通濾波器的設(shè)計(jì)壓力，整體化考慮來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能。

為了增強(qiáng)波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊工作的獨(dú)立性，針對(duì)氣體檢測(cè)應(yīng)用，在FPGA 內(nèi)構(gòu)建了自適應(yīng)使能信號(hào)生成單元，并可通過(guò)對(duì)FPGA 使能選擇端口的電壓進(jìn)行配置，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)于內(nèi)部使能和外部使能兩種工作狀態(tài)間的切換。對(duì)內(nèi)使能生成原理表述為：當(dāng)輸入氣體吸收信號(hào)噪聲較小時(shí)，可啟動(dòng)內(nèi)部使能模式，系統(tǒng)會(huì)在上電/復(fù)位后，自動(dòng)提取輸入氣體吸收數(shù)據(jù)的最大值和最小值，繼而對(duì)其大小進(jìn)行放縮并啟動(dòng)對(duì)使能信號(hào)寄存器的置位、清零；為避免掃描信號(hào)中所疊加正弦波的影響，將使能信號(hào)寄存器輸出結(jié)果進(jìn)行消抖處理，以得到自適應(yīng)使能信號(hào)。使能信號(hào)具體工作邏輯為：當(dāng)此信號(hào)為高電平時(shí)，波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊和驅(qū)動(dòng)生成模塊啟動(dòng)工作，系統(tǒng)開(kāi)始輸出氣體掃描信號(hào)，并在短暫延遲后，輸出與輸入信號(hào)同步的目標(biāo)諧波波形；當(dāng)此信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平后，波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成模塊停止工作，波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊啟動(dòng)對(duì)諧波幅度最大值的格式轉(zhuǎn)換并將其串口輸出，隨后等待使能信號(hào)的再次變高。

為增強(qiáng)波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊的可重構(gòu)能力，同時(shí)避免出現(xiàn)頻率偏移的問(wèn)題，系統(tǒng)鎖相工作時(shí)鐘通過(guò)將輸入得到的與高頻調(diào)制信號(hào)同頻的方波參考信號(hào)在系統(tǒng)高頻時(shí)鐘下計(jì)數(shù)倍頻而生成；因此，修改系統(tǒng)采樣率只需重構(gòu)時(shí)鐘模塊即可完成。在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)可變頻率鎖相分析，可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部基于DDS 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正交信號(hào)模塊進(jìn)行硬件重構(gòu)：通過(guò)修改起始地址、觸發(fā)地址等，即可實(shí)現(xiàn)任意頻率標(biāo)準(zhǔn)正交信號(hào)的生成；再對(duì)鎖相放大單元中的FIR 濾波器進(jìn)行參數(shù)重構(gòu)，更新積分時(shí)間，以匹配系統(tǒng)采樣率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)鎖相頻率的硬件重構(gòu)修改。此外，傳感器波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成模塊輸出的正弦波、三角波參數(shù)亦可重構(gòu)：基于DAC900 的165 MSPS（106samples/s）轉(zhuǎn)換速率，通過(guò)修改片上存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、修改DAC 工作時(shí)鐘，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信號(hào)頻率的重構(gòu)調(diào)節(jié)；通過(guò)修改地址自加器的起始值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形初始相位的重構(gòu)調(diào)節(jié)。

另外，基于本設(shè)計(jì)輸入輸出的準(zhǔn)同步特性，結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成模塊，可以從系統(tǒng)層面對(duì)其工作模式進(jìn)行硬件重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)間歇式工作、掃描信號(hào)對(duì)齊、氣體吸收定點(diǎn)分析等功能。其中，間歇式工作的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：構(gòu)建了片上二選一模擬開(kāi)關(guān)，采用工作狀態(tài)寄存器，對(duì)使能信號(hào)進(jìn)行選通。當(dāng)系統(tǒng)間歇式工作時(shí)，于間歇期將模擬開(kāi)關(guān)輸出置零，以關(guān)停波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊和波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成模塊；當(dāng)連續(xù)工作時(shí)，選通使能信號(hào)使系統(tǒng)依托使能信號(hào)正常工作。所設(shè)計(jì)近紅外波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器的可重構(gòu)功能參數(shù)具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)可重構(gòu)功能及參數(shù)Table 1 System reconfigurable functions and parameters

1.4 工作模式可重構(gòu)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

所研制的傳感器系統(tǒng)的工作模式具有可重構(gòu)特性，面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)可以在連續(xù)和間歇兩種工作模式之間切換。在需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景中，系統(tǒng)工作在連續(xù)模式；在需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)，系統(tǒng)工作在間歇模式，可以有效降低系統(tǒng)功耗。間歇模式下的工作/間歇占比同樣是可重構(gòu)的。根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景需求，可以對(duì)工作模式和工作/間歇占比進(jìn)行重構(gòu)，這與實(shí)時(shí)傳感并不矛盾。構(gòu)建連續(xù)式、間歇式工作的波長(zhǎng)調(diào)制CH4傳感器，其效果如圖4所示。在連續(xù)工作方式下，頻率為5 Hz 的三角波上疊加5 kHz 的正弦波直接作用于激光器的電流驅(qū)動(dòng)，使傳感器持續(xù)檢測(cè)。在間歇式工作下。通過(guò)對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的使能控制，實(shí)現(xiàn)1∶10 的工作/間歇占比，即系統(tǒng)每?jī)擅脒M(jìn)行一次完整的三角波掃描過(guò)程，間歇式測(cè)量CH4濃度。從圖4可以看出，無(wú)論連續(xù)工作還是間歇工作，傳感器驅(qū)動(dòng)輸出與數(shù)據(jù)分析同步進(jìn)行，系統(tǒng)每輸出一個(gè)氣體掃描信號(hào)，均可在其下方同步得到一個(gè)二次諧波信號(hào)，二者之間的時(shí)間偏移極低。經(jīng)測(cè)量，間歇式工作時(shí)，系統(tǒng)等待期間與系統(tǒng)復(fù)位電流近似相等，掃描工作時(shí)電流與連續(xù)工作電流類似，二者大小相差36.1 mA；考慮到等待期間對(duì)激光器工作電流的關(guān)斷，結(jié)合對(duì)傳感器硬件靜態(tài)功耗的進(jìn)一步優(yōu)化，該設(shè)計(jì)為構(gòu)建低功耗激光氣體傳感系統(tǒng)提供了可行的解決方案。

圖4 連續(xù)、間歇兩種工作模式的測(cè)試波形Fig.4 Test waveform under continuous and intermittent working modes

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 邏輯功能仿真

采用的FPGA 器件型號(hào)為EP4CE22F17C8，通過(guò)Quartus II 軟件編寫了傳感器的邏輯代碼?；贛odelsim 開(kāi)展了仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性?；贖ITRAN2012 數(shù)據(jù)庫(kù)，利用2.334 μm 處CH4吸收線，采用Matlab 軟件和插值法生成了CH4吸收數(shù)據(jù)，并通過(guò)Modelsim 讀入傳感器光譜分析模塊，模擬軟件運(yùn)行結(jié)果，如圖5所示。從圖5 可以看出，軟件功能正常，波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊以及波長(zhǎng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)生成模塊的功能均符合預(yù)期要求。針對(duì)輸入的氣體吸收數(shù)據(jù)，根據(jù)使能信號(hào)，在每一個(gè)氣體吸收峰處均可以同步提取到諧波信號(hào)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)延遲時(shí)間很小，在0.2 s 的掃描周期中，數(shù)據(jù)延遲時(shí)間僅為4.05 ms，同時(shí)，如果系統(tǒng)采取連續(xù)工作方式，該延遲帶來(lái)的影響將得到進(jìn)一步降低。

圖5 根據(jù)Modelsim 軟件，仿真得到氣體吸收波形、激光驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和二次諧波波形Fig.5 According to Modelsim software，simulated gas absorption waveform，laser driving signal waveforms and second harmonic waveform

2.2 系統(tǒng)線性度評(píng)估

正交鎖相放大器利用三角函數(shù)的正交性能提取出待測(cè)信號(hào)中特定頻率信號(hào)的幅值。假設(shè)待測(cè)信號(hào)S（t）為

式中，a為信號(hào)幅值，w1為頻率，θ1為相位，n（t）為系統(tǒng)噪聲。參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)同頻，可表示為

式中，b為信號(hào)幅值，θ2為相位。與參考信號(hào)R（t）正交的信號(hào)R0（t）可表示為

經(jīng)過(guò)乘法器后，得到

經(jīng)過(guò)低通濾波器高頻成分被濾除，可得

正交鎖相放大器最終輸出的信號(hào)可表示為

此時(shí)，正交鎖相放大器的輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的幅值成正比，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)待測(cè)信號(hào)的目的。

為驗(yàn)證傳感器的諧波信號(hào)提取性能，采用信號(hào)發(fā)生器（AFG-2225，GWinstek）以雙通道頻率耦合的方式生成了同頻的待測(cè)正弦信號(hào)和方波參考信號(hào)，通過(guò)提取正弦信號(hào)的幅值，對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)際工作性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示，其中，圖6（a）為輸入不同幅值的正弦信號(hào)時(shí)，波長(zhǎng)調(diào)制光譜分析模塊的輸出?？梢钥闯?，輸出結(jié)果成明顯的階梯狀，表明系統(tǒng)對(duì)不同幅值信號(hào)具有良好的區(qū)分度。

將圖6（a）中不同幅值下提取的正弦波信號(hào)幅值做平均化處理，并對(duì)輸入正弦幅值（Amp）和提取幅值（EAmp）進(jìn)行線性擬合，擬合后的關(guān)系式為

擬合結(jié)果如圖6（b）所示，擬合優(yōu)度為0.999 99，表明傳感器具有良好的目標(biāo)頻率提取線性度。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶入式（2），對(duì)系統(tǒng)幅度采集穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7所示。從分析結(jié)果可以看出，系統(tǒng)采集到的正弦幅度波動(dòng)在±0.5 mV 左右，傳感器穩(wěn)定性良好。

圖7 正弦信號(hào)幅度采集穩(wěn)定性分析Fig.7 Stability analysis of sine signal amplitude acquisition

3 CH4檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 CH4標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

利用1 000 ppmv 的CH4和純氮?dú)猓∟2），使用Environics 公司的Series4000 配氣系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)配氣的方法依次配制了0 ppmv、250 ppmv、500 ppmv、1 000 ppmv 的CH4氣體樣品通入氣室中開(kāi)展氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，各個(gè)不同濃度的氣體連續(xù)測(cè)試200 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8（a）可以看出，所設(shè)計(jì)甲烷傳感器對(duì)不同的氣體濃度具有良好的區(qū)分能力。對(duì)每種濃度下傳感器的輸出結(jié)果求取平均值，并線性擬合氣體濃度（C）和傳感器輸出二次諧波信號(hào)幅值（Ash）之間的關(guān)系，擬合方程為

圖8 CH4檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析Fig.8 CH4 detection experiment and result analysis

擬合曲線如圖8（b）所示，擬合優(yōu)度為0.999 73，該結(jié)果表明甲烷傳感器輸出的二次諧波幅值結(jié)果與CH4氣體濃度之間具有良好的線性關(guān)系。

為了測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度，配制了5 ppmv、10 ppmv、20 ppmv、50 ppmv 的CH4氣體樣品通入氣室中，提取其二次諧波信號(hào)幅值。圖8（c）展示了不同濃度下測(cè)得的二次諧波信號(hào)幅值，可以看出，不同濃度對(duì)應(yīng)的二次諧波信號(hào)幅值清晰可辨，容易區(qū)分，因此系統(tǒng)的靈敏度至少可達(dá)5 ppmv。圖8（d）為不同CH4濃度及其對(duì)應(yīng)的二次諧波信號(hào)幅值之間的擬合曲線。

3.2 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

激光氣體傳感系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與氣室結(jié)構(gòu)、氣體流速、氣體切換速度和數(shù)據(jù)處理速度等相關(guān)，數(shù)據(jù)處理速度很快，僅占響應(yīng)時(shí)間的很小一部分，在氣體流速確定的情況下，氣體切換速度占主導(dǎo)因素。為了評(píng)估本傳感器的響應(yīng)速度，采用純N2和1 000 ppmv 的CH4，開(kāi)展了響應(yīng)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)，氣體流速設(shè)置為1 L/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)氣體從N2切換到CH4后，傳感系統(tǒng)輸出結(jié)果從100 ppmv 上升到900 ppmv 所需要的時(shí)間約為4.9 s。當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定一段時(shí)間后，將氣體從CH4切換回N2，傳感系統(tǒng)輸出結(jié)果從900 ppmv 下降到100 ppmv所需的時(shí)間約為4.9 s。

圖9 傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試Fig.9 Dynamic response time test of the sensor

3.3 穩(wěn)定性及檢測(cè)下限

激光器的波長(zhǎng)掃描速度不僅關(guān)乎到數(shù)據(jù)采集的速率，而且影響測(cè)量精度，較慢的掃描速度可以提高波長(zhǎng)掃描的精度，更準(zhǔn)確地確定氣體的光譜特性，從而獲得更準(zhǔn)確的氣體濃度信息。在5 Hz 的掃描速度下，1 s可以采集10 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，完全能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，為了兼顧測(cè)量速度與準(zhǔn)確度，選擇5 Hz 作為掃描頻率。為測(cè)量甲烷傳感器工作的穩(wěn)定性，向氣室中持續(xù)通入1 000 ppmv 的CH4，測(cè)量結(jié)果如圖10（a）所示，傳感器檢測(cè)結(jié)果波動(dòng)范圍為987.39～1 010.72 ppmv，工作穩(wěn)定性良好。為分析甲烷傳感器的檢測(cè)下限，向氣室中持續(xù)沖入氮?dú)猓∟2），進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量分析。將傳感器輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為氣體濃度，計(jì)算得到的Allan 方差結(jié)果如圖10（b）所示，當(dāng)積分時(shí)間為0.5 s 時(shí)，檢測(cè)下限為7.8 ppmv。通過(guò)延長(zhǎng)積分時(shí)間，系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，檢測(cè)下限不斷降低。

圖10 傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性分析Fig.10 Stability analysis of the sensor system

為了對(duì)比激光器在5 Hz和100 Hz兩種不同掃描頻率下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測(cè)下限，將激光器的掃描頻率設(shè)置為100 Hz，對(duì)1 000 ppmv CH4氣體樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性分析。如圖10（c）和（d）所示，傳感器檢測(cè)結(jié)果波動(dòng)范圍為913.6～1 000 ppmv，對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)限進(jìn)行進(jìn)一步分析，當(dāng)積分時(shí)間為0.5 s 時(shí)，檢測(cè)下限為15.8 ppmv。與5 Hz 掃描頻率下測(cè)得的濃度波動(dòng)范圍和檢測(cè)下限相比，在100 Hz 掃描頻率下測(cè)得的誤差更大。

3.4 CH4泄漏實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估所設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)的實(shí)際性能，驗(yàn)證系統(tǒng)在間歇工作模式下的實(shí)際應(yīng)用效果。在外部環(huán)境溫度為15 ℃，風(fēng)速為1 m/s 的情況下，采用1 000 ppmv 的標(biāo)準(zhǔn)CH4鋼瓶氣體在室外開(kāi)展了氣體泄露實(shí)驗(yàn)。CH4氣瓶的氣體泄露速度設(shè)置為1 L/min，傳感器系統(tǒng)放置在距離鋼瓶1 m 遠(yuǎn)處的下風(fēng)口位置。在第60 s 和180 s 處分兩次打開(kāi)CH4氣體鋼瓶的氣體閥門，第一次持續(xù)打開(kāi)60 s 左右，第二次持續(xù)打開(kāi)15 s 左右，測(cè)試結(jié)果如圖11所示，可以看出，在間歇工作模式下系統(tǒng)仍能有效響應(yīng)氣體濃度變化。受現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力影響，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣體泄漏16 s 左右便被傳感器探測(cè)到，所測(cè)濃度值存在較大波動(dòng)；第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，環(huán)境條件相對(duì)較好，30 s 左右傳感器感知到了周圍環(huán)境中CH4濃度的上升，與第一次實(shí)驗(yàn)類似，濃度變化波形上升沿較陡，響應(yīng)速度很快；兩次測(cè)量傳感器均有效檢測(cè)到了氣體泄漏時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)CH4濃度的變化，探測(cè)峰值為307.98 ppmv。兩次氣體泄露均被檢測(cè)到，證明了泄露實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，表明本傳感器具有良好的CH4泄漏探測(cè)潛力。

圖11 CH4泄漏實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果Fig.11 Field detection results of CH4 leakage test

4 結(jié)論

采用FPGA 的硬件算法加速，結(jié)合WMS 技術(shù)，研制了一種硬件可重構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)制甲烷傳感器。基于模塊化程序設(shè)計(jì)，傳感器工作模式、探測(cè)參數(shù)可靈活修改；實(shí)測(cè)了傳感器在連續(xù)工作和間歇工作兩種狀態(tài)下的波形、電流情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)可重構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性，并證實(shí)了間歇式工作以降低激光氣體傳感器功耗的可行性。開(kāi)展了CH4氣體吸收實(shí)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)甲烷傳感器氣體探測(cè)線性度為99.97%，響應(yīng)時(shí)間約為4.9 s。Allan 方差結(jié)果表明，當(dāng)積分時(shí)間為0.5 s時(shí)，傳感器的檢測(cè)下限為7.8 ppmv。開(kāi)展了CH4泄漏實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)自然環(huán)境下CH4泄漏時(shí)，環(huán)境中CH4濃度曲線的分析，證明了本傳感器對(duì)CH4泄露的探測(cè)能力。對(duì)比現(xiàn)有的基于軟件架構(gòu)的氣體傳感系統(tǒng)，本傳感器極低的數(shù)據(jù)延遲為間歇式工作奠定了基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)式低功耗氣體檢測(cè)應(yīng)用提供了可能。同時(shí)，本傳感器精度高、響應(yīng)速度快，并可基于實(shí)際需求進(jìn)行硬件重構(gòu)，使用起來(lái)靈活方便，且相關(guān)技術(shù)具有較好的片上集成應(yīng)用前景。研制的FPGA 電學(xué)系統(tǒng)亦可用于本科生實(shí)踐教學(xué)，從而促進(jìn)教學(xué)與科研的深度融合與發(fā)展。